Краткий исторический обзор возникновения и развития железнодорожного транспорта в России и за рубежом 42 страница

Наработка на отказ или среднее значение наработки восстановленной детали между отказами, под которой понимается отношение суммарных отрезков времени исправной работы детали вагона между ее ремонтом к общему числу отказов детали.

Среднее время восстановления или среднее время вынужденного нерегламентирован- ного простоя, вызванного отысканием и устранением одного отказа, которое представля­ет собою отношение суммарного времени восстановления каждой детали вагона к общему числу отказов.

Коэффициент готовности, под которым понимается вероятность того, что деталь будет работоспособна в произвольно выбранный момент времени в промежутках между проведе­ниями плановых технических обслуживаний. Определяется как отношение наработки на от­каз к сумме наработки времени на отказ и среднего времени восстановления деталей вагона.

Перечисленные в этом разделе количественные характеристики надежности деталей ва­гонов можно определять по представительным статическим данным об отказах, получае­мым в процессе эксплуатации или в результате специальных опытов, поставленных с учетом особенностей работы детали вагона и наличия или отсутствия ремонта деталей вагона.

Закономерности распределения времени безотказной работы деталей вагона устанав­ливаются обработкой опытных данных по известным методам математической статистики.

Среди этих методов наиболее удобен и распространен графический, сущность которого состо­ит в том, что эмпирические данные (накопленная частость отказов), наносятся на специаль­ную координатную сетку в виде точек, по характеру распределения случайных величин кото­рых устанавливается закономерность, т.е. устанавливается тот или иной теоретический закон распределения случайных величин, например, нормальный закон распределения или распре­деление Вейбулла. Для каждого закона распределения случайных величин стро­ится своя координатная сетка, на кото­рой по оси абсцисс откладывается про­бег вагона, а по оси ординат — накоп­ленная частость отказов одного из наи­более часто повреждаемых узлов, напри­мер, рама тележки, колесная пара с бук­сами. Если проведенная через эмпиричес­кие точки линия оказывается прямой, то это подтверждает соответствие распре­деления опытных данных нормальному или логарифмически нормальному зако­ну распределения случайных величин. Степень согласия опытных данных и те­оретического закона удобно определять по критерию согласия А.Н. Колмогоро­ва. Для примера на рис. 14.2 приведена координатная сетка, на которой нанесе­ны опытные данные в виде крестиков и кружков, соответствующие пробегу ва­гона S и накопленной частости отказов (появление трещин усталости) рамы тележки пассажирского вагона. Точки в виде кружков не лежат на прямой линии, что указывает на то, что такое распределение опытных данных не подчиняется нормальному закону распределения случайных величин.

Рис. 14.2. Графическая проверка соответствия опытных данных нормальному закону распределения

Точки в виде крестиков, соответствующие lg Sи накопленной частости, расположены практи­чески на прямой линии, что подтверждает соответствие распределения опытных данных по отка­зам рамы тележки логарифмически нормальному закону распределения случайных величин.

Для количественной проверки этого соответствия рассчитывается величина критерия согласия А.Н. Колмогорова но формуле:

Х_к = Dyfn, (14.1)

где D — наибольшее отклонение экспериментальных точек от интерполяционной прямой линии (можно измерять непосредственно по графику);

п — общее количество экспериментальных точек (следует брать больше 100 точек).

При А,_к < 1,0 при доверительных вероятностях больше 0,8 считается, что эксперимен­тальные данные по отказам достаточно хорошо согласуются с нормальным или логариф­мически нормальным законом распределения случайных величин. Для приведенного при­мера А,_к = 0,67, следовательно, имеется достаточная согласованность с логарифмически нор­мальным законом распределения случайных величин.

Получение статических закономерностей по эксплуатационным отказам деталей и уз­лов грузовых вагонов существенно осложняется вследствие невозможности контроля за каждым вагоном из-за трудности установления места нахождения грузового вагона. По­этому для своевременного определения времени отказа вагона необходима централизо­ванная система информации с анализом отказов, например, в главном вычислительном центре МПС и в вычислительных центрах отдельных железных дорог России.

Методы сбора и обработки информации о надежности грузовых вагонов при эксплуатации в опыт­ных маршрутах и о надежности пассажирских вагонов при регулярной эксплуатации их в пассажирских поездах постоянного формирования регламентируются отраслевыми стандартами и ГОСТами.

14.1.2. Параметры потока отказов вагонов

Для анализа надежности вагона в целом и его отдельных узлов и деталей (элементов) в частности по фактическим эксплуатационным данным, в общем случае, в соответствии с нормами для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм используется параметр потока отказов, определяемый по формуле:

0('_Р)

^{w =} - (14.2)

¹Р

где Q(/p) — среднее удельное число отказов вагона данного типа, его узлов и деталей за расчетный период эксплуатации;

/р — средняя наработка вагона за расчетный период эксплуатации до первого деповского ремонта.

Вследствие того, что вагон подразделяется на отдельные расчетные системы (узлы), которые в свою очередь подразделяются на отдельные детали (элементы), параметр пото­ка отказов вагона определяется по формуле:

п п т __

"в = 2“; = 22®,/’ (14.3)

I II'

где со/ — параметр потока отказов /'-го расчетного узла (детали) вагона;

«j. — параметр потока отказову'-го узла вагона.

Параметр потока отказов для вновь проектируемого вагона устанавливается с учетом отказов такой же детали (элемента) вагона-аналога.

Вычисленные на основании эксплуатационных обследований и установленные с нор­мами параметры потока отказов основных типов грузовых вагонов приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1

14.1.3. Расчет показателей надежности вагонов при проектировании

Расчетно-экспериментальная оценка надежности выполняется на различных этапах проектирования и изготовления вагонов. Исходными данными для этого являются: ха­рактеристики режима нагрузки (эксплуатационные силы, кинематические воздействия);

структура проектируемого вагона с указанием типа и количества составляющих элемен­тов и их взаимосвязи в смысле надежности; статические характеристики несущей способ­ности элементов для заданных режимов нагрузки; сведения о функциональных зависимос­тях между свойствами и характеристиками составляющих элементов и вагона в целом (ана­литические или эмпирические формулы для оценки прочности вагона, зависимость между напряжениями, нагрузками и геометрическими характеристиками вагона).

Эти данные в теории надежности называются априорной экспериментальной информацией.

Существуют два основных вида расчетов надежности вагона:

а) расчет надежности всего вагона по известным показателям структуры консгрукции вагона;

б) расчет надежности детали или конструкции вагона в целом на основе использова­ния статистических закономерностей изменения внешней нагрузки и несущей способности с учетом физической природы отказов.

В ряде случаев оба вида расчетов выполняются совместно.

Расчет структурной (схемной) надежности вагона в целом можно выполнять, если извест­на надежность отдельных его элементов и характер их взаимодействия.

По условиям надежности различают следующие структурные схемы соединения элементов вагона: последовательное соединение, при котором отказ любого элемента вызывает отказ вагона в целом; параллельное соединение, при котором отказ вагона в целом происходит только при отка­зе всех элементов, соединенных между собой параллельно, например, параллельное соединение нескольких ремней или валов привода вагонного генератора системы электроснабжения пасса­жирских вагонов; параллельно-последовательное соединение, в котором имеется система с после­довательным соединением нескольких блоков, связанных между собою параллельно.

Расчет надежности при внезапных отказах вагона выполняется исходя из того, что изме­нение нагрузки различных элементов вагона часто представляет собой стационарный нор­мальный случайный процесс, т.е. с постоянными во времени параметрами (математическое ожидание, дисперсия), а распределение мгновенных значений нагрузок на вагон подчиняется нормальному закону распределения случайных величин. Задача расчета надежности вагона состоит в определении вероятности выброса случайного процесса в течение заданного отрез­ка времени. Например, можно вести расчет на вероятность превышения напряжениями преде­ла текучести материалов, из которых построен вагон.

Расчет надежности вагона при внезапных отказах можно вести также в квазистатической постановке, если режим нагрузки представляет собой систему дискретных воздействий, напри­мер, удары в автосцепку или случайный процесс колебаний вагона схематизируется как сово­купность случайных величин. В этом случае статическая характеристика нагруженности вагона представляется как распределение случайных величин сил со своими параметрами.

Сущность этого метода расчета надежности состоит в следующем. Сопоставляются статические распределения внешней силовой нагрузки и несущей способности вагона, под ко­торой понимается предельная нагрузка, которую может выдержать вагон без разрушения.

Расчет надежности вагона с использованием метода статических испытаний (метод Монте- Карло), который в последнее время применяется достаточно широко, дает возможность изучать влияние на надежность различных статических факторов и функциональной связи между ними, т.е. дает возможность обеспечить системный подход к расчету, что особенно важно при расчетах надежности вагонов на перспективу.

Для использования этого метода расчета надежности необходимо иметь достаточно полную априорную экспериментальную информацию, а именно: составить математичес­кую модель, связывающую искомую характеристику с влияющими на нее факторами; по­лучить статистические характеристики распределения каждого фактора.

В основе статических испытаний лежит возможность получения на электронной вы­числительной технике (компьютере) случайных чисел с различными законами распреде­ления соответственно каждому фактору влияния. Процесс испытаний состоит в много­кратных расчетах по заданной аналитической зависимости (математической модели), при этом для каждого расчета принимаются свои случайно выбранные значения факторов, тем самым воспроизводятся условия проявления факторов в эксплуатации. В результате мно­гократных расчетов получают много значений искомой характеристики надежности, напри­мер долговечности, и по ним строят ее распределение, которое позволяет ответить на основ­ной вопрос о вероятности безотказной работы вагона за определенный промежуток време­ни. Важным принципом этого метода является порядок операций по выбору факторов.

Этот метод применим также и для решения промежуточных задач, например, для оп­ределения закона распределения нагрузки или несущей способности.

Расчет надежности при усталостных отказах от случайных нагрузок в большинстве случаев выполняется на основе гипотезы о линейном суммировании усталостных повреждений при цикли­ческих нагрузках. В методике такого расчета широко применяются два основных направления. В первом направлении, разработанном в институте машиноведения С.В. Серенсеном и В.П. Кога- евым, расчетные нагрузки представляются в виде блоков сил или напряжений, отражающих зако­номерность их изменения в течение определенного времени, например за год, а распределение вре­мени безотказной работы предположительно подчиняется заранее принятому закону распределе­ния случайных величин, обычно применяется логарифмически нормальный закон. В основном расчет сводится к определению средней долговечности детали или узла вагона с учетом среднего значения предела выносливости детали при базовом числе циклов нагружения, амплитуд напряже­ний, относительного числа циклов нагрузки, числа циклов расчетных нагрузок за год.

Второе направление основано на разработанной В.В. Болотиным методике расчета долго­вечности при усталостных разрушениях и использовании метода Монте-Карло. Главная особен­ность этого направления состоит в введении расчетной нагрузки в форме плотности распределе­ния амплитуд напряжений характерного для рассматриваемого стационарного случайного про­цесса нагрузки. При этом предположений о законе распределения времени безотказной работы заранее не делается, а он определяется с применением метода Монте-Карло, для чего задаются характеристиками распределения значений времени безотказной работы вагона.

В рассмотренных расчетах надежности вагона предполагается, что заданные вероят­ностные характеристики нагруженности и несущей способности остаются неизменными в течение всего времени эксплуатации.

Отказы можно классифицировать по различным признакам (рис. 14.3).

14.2. Испытания вагонов и методики их проведения

Современный вагон представляет собой сложную статически неопределимую конструкцию, на которую действуют разнообразные эксплуатационные нагрузки случайного характера. По­этому расчетным путем можно определить приближенно с учетом ряда допущений в расчетных схемах и алгоритмах расчетов характеристики вагонов и размеры отдельных их деталей.

Некоторые элементы вагонов вследствие их высокой сложности или действия случай­ных динамических сил вообще не рассчитываются, а их размеры и прочность определяют­ся на основании опытных данных измерением напряжений в элементах натурных вагонов и сравнением этих напряжений с допускаемыми, установленными нормами расчета и про­ектирования вагонов.

Для создания рациональной, долговечной и надежной конструкции вагона, наряду с рас­четно-теоретическими исследованиями, предусматриваются также и экспериментальные иссле­дования, которые, как правило, являются завершающим этапом в создании нового типа вагона. Экспериментальные исследования (испытания) проводятся также и при модернизации суще­ствующих в эксплуатации вагонов, а также для дальнейшего развития и совершенствова­ния теории их проектирования, изучения особенностей поведения в эксплуатации тех или иных узлов и деталей вагонов при высоких скоростях движения и осевых нагрузках.

В процессе отработки новой конструкции вагона на стадии проектирования и выбора его основ­ных рациональных параметров и характеристик параллельно с расчетами проводятся эксперименталь­ные исследования в лабораториях на моделях, макетах, натурных узлах и опытных образцах вагонов.

Конструктив! пае

Усталостные

Рис. 14.3. Классификация отказов

Поэтому экспериментальные исследования (испытания) подразделяются на лабораторные, стендовые, динамические поездные и испытания по воздействию на железнодорожный путь натурных вагонов на эксплуатационных участках железнодорожного пути различного со­стояния или на специально приспособленных для этих целей испытательных полигонах (экспериментальное кольцо на станции Щербинка Московской ж. д., скоростной испыта­тельный полигон Белореченская—Майкоп Северо-Кавказской ж. д.).

Объем и степень подробности испытаний зависит от того, на каком этапе создания конструкции вагона они выполняются. Наиболее полно и разносторонне проводятся ис­пытания образцов новых типов вагонов и менее полно — контрольные приемосдаточные испытания.

Ценность любых испытаний во многом зависит от правильно разработанной методи­ки испытаний, в которой должны быть отражены и обоснованы цель испытаний, способы подготовки вагона к испытаниям; режимы силовых нагрузок; порядок проведения испы­таний; способы приложения экспериментальных нагрузок на стендах и моделях и необхо­димое для этого оборудование и приспособления; измерительно-регистрирующие прибо­ры для определения сил, напряжений, деформаций, относительных перемещений деталей и узлов вагона на каждом этапе испытаний, места и порядок установки измерительных приборов на испытуемом узле или детали вагона; методы обработки результатов испыта­ний и применяемая аппаратура для автоматизированной обработки опытных данных по заранее разработанным специальным методикам.

14.2.1. Лабораторные и стендовые испытания

Конкретные цели лабораторных испытаний многообразны. Чаще всего при лабораторных испытаниях проводится сопоставление результатов расчетов и испытаний с целью уточнения расчетной схемы проектируемого вагона и оптимизации технико-экономических параметров будущего вагона. Оборудование для лабораторных исследований разнообразно и выбор его за­висит от конкретных задач испытаний, поставленных в процессе проектирования и отработки конструкции вагона. Например, для испытаний на долговечность вплоть до разрушения надрес- сорных балок и боковых рам двух- или четырехосных грузовых тележек применяются специаль­ные вибростенды, работающие в автоматическом режиме по заданной программе.

Стендовым испытаниям подвергаются отдельные узлы и опытные вагоны в целом. В практике отечественного и зарубежного вагоностроения для испытаний отдельных уз­лов и вагонов в целом применяется следующее стендовое оборудование:

— стенды или катковые испытательные станции для изучения колебаний вагона с целью отработки типа и параметров рессор и гасителей колебаний и оценки прочности кузова ваго­на. Более совершенные стенды и катковые станции оборудуются специальными устройствами, с помощью которых можно управлять процессами возбуждения плоских и пространственных колебаний вагона по заранее заданной программе. К таким Катковым станциям относятся, например, станция «Витрина-Сена» (Франция) и станция «Арсенал» в Вене (Австрия) с холо­дильными камерами;

— стенды для испытания буксового и центрального рессорного подвешивания, для испытания и снятия характеристик, параметров фрикционных и гидравлических гасителей колебаний вагонов;

— стенды для испытания отдельных узлов, элементов деталей вагона или уменьшен­ных моделей вагонов с целью определения закона распределения напряжений в деталях и узлах вагона или характеристик и параметров вагона;

— стенды и копры для испытания поглощающих аппаратов автосцепки и снятия их характеристик (ход, энергоемкость, наибольшая сила полного сжатия, показатель закли­нивания, долговечность и прочность, силовая диаграмма и т.п.);

— копровые установки для испытания узлов и деталей вагона па повторные ударные нагрузки для оценки и выносливости или долговечности от действия эксплуатационных ударных нагрузок, например, при маневрах на сортировочных горках;

— стенды-горки для испытания натурных вагонов на соударение для уточнения рас­четных схем нагружения элементов вагона при их динамическом взаимодействии в про­дольной горизонтальной плоскости и отработки конструкции и характеристик поглощаю­щих аппаратов автосцепки;

г Рис. 14.4. Схема каткового стенда для динамических испытаний вагонов

— стенд для испытания натурных вагонов на продольные растягивающие и сжимаю­щие силы;

— передвижной динамический вагон-стенд (опытный вагон) с переменными массами вагона, мо­ментами инерции, положениями центра массы ваго­на, а также с тележками, в которых могут бы ть смон­тированы гасители колебаний различного типа и рес­сорные комплекты с различными характеристиками.

Катковый испытательный стенд (рис. 14.4) обычно размещается в отдельно расположенном и специально оборудованном помещении 5 с железно­дорожным путем и снабжен массивным виброзащит- ным фундаментом и мощным приводом в виде ко- лесо-моторных блоков 1 (вращателей), на которые устанавливается испытываемый вагон 4, который че­рез автосцепку соединяется со стойкой 3 стенда.

Передаваемые на колесные пары 2 вагона возмущения создаются в основном специальны­ми неровностями на вращателях стенда и на колесных парах испытываемого вагона, а так­же дополнительно электрогидравлическими устройствами с серводвигателями и с программ­ным управлением. Катковые стенды позволяют имитировать движение вагона со скорос­тью до 250—350 км/ч и воспроизводить условия испытаний, близкие к эксплуатационным. Жесткость железнодорожного пути имитируется резиновыми прокладками между корпуса­ми букс и их опорами. Рельсовая эстакада состоит из трубчатых стоек диаметром 200 мм, расположенных на расстоянии ] ,0 м друг от друга.

Технология испытаний вагона состоит в том, что в зависимости от целей испытаний ваго­на Катковым стендом воспроизводятся те или иные возмущающие воздействия на вагон и из­меряются необходимые параметры и показатели с помощью измерительных приборов, уста­новленных на вагоне в определенных местах и соединенных электрокабелями с регистрирую­щей и записывающей аппаратурой (усилители, магнитофоны, осциллографы, компьютеры с числовым преобразователем), расположенной в отдельном стационарном помещении.

Рис. 14.5. Схема стенда для испытания бук­сового рессорного подвешивания тележки

Стенд для испытания буксового рессорного подвешивания пассажирской тележки (рис. 14.5) имеет раму У, на которой размещены пульт уп­равления 2 и фиксирующее устройство 3 тележ­ки 4. Колесную пару с испытываемым буксовым рессорным подвешиванием устанавливают на поднимающийся участок рельса 5, который че­рез измерительное устройство 6 опирается на электродомкрат 7, под воздействием которого нагружается и разгружается периодически испы­тываемое буксовое рессорное подвешивание с од­новременной записью измерительным устрой­ством 6 силовой диаграммы «нагрузка — про­гиб», по которой определяется жесткость пружин и относительная сила трения фрикционного кли­нового гасителя колебаний в буксовом рессорном подвешивании пассажирской те­лежки типа КВ-ЦНИИ как отношение силы трения при нагрузке или разгрузке рес­сорного комплекта к вертикальной нагрузке, действующей на рессорный комплект.

3 4

Для испытания центрального рессорного подвешивания грузовой тележки моделей 18-100 (двухосная тележка) и 18-101 (четырехосная тележка) применяется стенд (рис. 14.6), на раме 1 которого расположены пульт управления 2, записывающее устройство 3 и элек­тродомкрат 4, на штоке 5 которого установлен измеритель 6 нажимного усилия, создавае­мого домкратом, а также центрирующее устройство с пятником для посадки его на под­пятник надрессорной балки 7 тележки. При испытании включаются домкрат 4 и одновре­менно устройство, записывающее силовую диаграм­му «нагрузка — прогиб» рессорного комплекта, по которой определяются жесткость и относительная сила трения рессорного комплекта при его нагру­жении и разгружении. Полученные результаты из­мерения сопоставляются с расчетными величинам.

Для более полной оценки работы фрикцион­ного клинового гасителя колебаний грузовых те­лежек моделей 18-100 и 18-101 применяется стенд (рис. 14.7) с кареткой 7, в которой размещается рес­сорный комплект 2 с фрикционным клиновым га-

Рис. 14.6. Схема стенда для испытания цент- сителем колебаний, карегка I обеспечивает вынуж- рального рессорного подвешивания тележки денные поперечные перемещения фрикционных
клиньев гасителя колебаний с амплитудами 2—10 мм и частотой 1—60 Гц. Процесс перекре­стного движения фрикционного клина, т.е. од­новременное движение его в вертикальном и поперечном горизонтальном направлениях ис­следуется при свободных колебаниях массы 3, имитирующей массу кузова вагона с частотой 2—2,5 Гц. Имитация воздействия железнодорож­ного пути производится с помощью катка 4 и толкателя 5. Стрелками на рис. 14.7 показано Рис. 14.7. Схема стенда для испытания фрикци-

перекрестное движение фрикционного клина ^0ННЬ1Х клиновых гасителей колебаний грузовой!

„ тележки модели 18-100

гасителя колебании.

Сила трения гасителя колебаний в вертикальном направлении в зависимости от частоты вертикальных перемещений фрикционного клина определяется по декремен­ту свободных колебаний системы.

При проектировании новых конструкций вагонов возникает необходимость опре­деления закона распределения напряжений опытным путем, когда полной конструк­ции вагона еще не имеется. В этом случае испытания проводятся в лаборатории на стен­дах, применяя уменьшенные модели конструкции вагона в целом и его отдельных уз­лов и элементов, выполненных с использо­ванием теории подобия. Испытания на мо­делях позволяют значительно сократить зат­раты при проектировании новых конструк­ций вагонов и сократить время на создание опытного образца вагона новой конструк­ции. В качестве примера на рис. 14.8 показан __________

стенд для испытания моделей элементов ва- ГГ.—1—2 — 1

гона. На станине 7 установлены подвижные Рис. 14.8. Схема стенда для испытания моделей опоры 2, на которых монтируется плоская узлов и элементов вагонов